水 2.0 力 坡 降 1.5 1.0 0.5 0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 流速 (m/h) 达西定律 适用范围
v d 10 Re
Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区
达西定律的适用范围
§3.2 土的渗流性与渗透规律
两种特例
在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时：
• 结构
水的性质
在宏观构造上，天然沉积层状 粘性土层，扁平状粘土颗粒常 呈水平排列，常使得k水平﹥k垂直 在微观结构上，当孔隙比相同 时，凝聚结构将比分散结构具 有更大的透水性
渗透系数的影响因素
§3.2性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分
§3.2 土的渗流性与渗透规律
已知条件 : h h
vi v
i

H
H
i
h z v kz k1 k2 k3 H1
x
达西定律: vi = ki (Δhi / Hi )
v = kz (Δh / H )
等效条件:
hi vH kz v iH ki
i
H2
H3
H
h
vH kz
渗流中的水头与水力坡降
§3.2 土的渗流性与渗透规律
总水头：单位重量水体所具有的能量
h z
u w

v
2
2g
位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）
压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
渗流的总水头： h
水的性质
岭石>伊里石>蒙脱石 ；当粘土 中含有可交换的钠离子越多时， 其渗透性将越低 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的 参数
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分
影响孔隙系统的构成和方向性， 对粘性土影响更大
§3.2 土的渗流性与渗透规律
水头与水力坡降 土的渗透试验与
达西定律
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性
渗透系数的测定
及影响因素
层状地基的等效
渗透系数
地基的渗透系数
土的渗透性与渗透规律
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置水头：到基准面的竖直距离， 代表单位重量的液体从基准面算起 所具有的位置势能
试验条件:Δh变化 A，a，L=const
t=t1
h1
量测变量: h，t 适用土类：透水性较小 的粘性土
Q A
h2
t=t2
土样
L
水头 测管
开关
a
室内试验方法-变水头试验法
§3.2 土的渗流性与渗透规律
在tt+dt时段内：
• 入流量： dVe= - adh • 出流量： dVo=kiAdt=k (Δh/L)Adt • 连续性条件：dVe=dVo dh
事故实例
降雨入渗引起的滑坡
§3.1 概述- 土渗流特性
• 挡水建筑物 • 集水建筑物 • 引水结构物 • 基础工程 • 地下工程 • 边坡工程
渗透特性 变形特性 强度特性
• • • • • •
渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置
土的渗透特性
第三章：土的渗透性和渗流问题
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
学习要点
第三章：土的渗透性和渗流问题
§3.1 §3.2 §3.3 §3.4 概述 土的渗透性与渗透规律 平面渗流与流网 渗透力与渗透变形
§3.1 概述 土是一种碎散的多孔介质， 其孔隙在空间互相连通。当
渗流
饱和土中的两点存在能量差
时，水就在土的孔隙中从能 量高的点向能量低的点流动
土颗粒
土中水
uB w
u0pa
B
uA w
压力水头：水压力所能引起的自由 水面的升高，表示单位重量液体所 具有的压力势能 测管水头：测管水面到基准面的垂 直距离，等于位置水头和压力水头 之和，表示单位重量液体的总势能 在静止液体中各点的测管水头相等
静水 A zB
0 基准面
zA
0
位置、压力和测管水头
• 结构
水的性质
渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
天然土层多呈层状
• 确立各层土的ki
• 根据渗流方向确定等效渗流系数
等效渗透系数
多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变
层状地基的等效渗透系数
§3.2 土的渗流性与渗透规律 已知条件 :
渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想 渗流速度
v vs v n
其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速
达西定律
§3.2 土的渗流性与渗透规律 适用条件：层流（线性流动）
岩土工程中的绝大多数渗 流问题，包括砂土或一般 粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形 态可能会随流速增大呈紊 流状态，渗流不再服从达 西定律。可用雷诺数进行 判断 ：
Q Aki 2 rh k dr r
Q ln r2 r1 k( h 2 h1 )
2 2
抽水量Q
r
r2 dr
r1
dh
井
dh dr
地下水位≈ 测压管水面 不透水层
h1
h
h2
Q
2 khdh
k
Q ln( r 2 / r1 ) h
2 2

2 h1
现场测定法－抽水试验
§3.2 土的渗流性与渗透规律 是土中孔隙直径大小的主要影 响因素 因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，故土体孔隙的大 小一般由细颗粒所控制。因此， 土的渗透系数常用有效粒径d10
mv
总能量：
质量 m 压力 u 流速 v 0 基准面
E mgz mg
u w

1 2
mv
2
z
0
单位重量水流的能量：
h z u w v
2
2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头
§3.2 土的渗流性与渗透规律
板桩墙
A
基坑
B L
透水层 不透水层
渗流为水体的流动，应满 足液体流动的三大基本方 程：连续性方程、能量方 程、动量方程
§3.2 土的渗流性与渗透规律
r2 r1
观察井
试验条件:
抽水量Q
Q=const
量测变量:
井
h1
不透水层
r=r1，h1=？
r=r2，h2=？
h2
优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长
现场测定法－抽水试验
§3.2 土的渗流性与渗透规律
计算公式：
A=2rh i=dh/dr
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
水往低处流
速度v
流速：水具有的动能
水往高处“跑”
压力u
压力：水所具有的压力势能 也可使水流发生流动
水流动的驱动力
§3.2 土的渗流性与渗透规律
位置势能： 压力势能：
u w
mgz
mg u w
2
动能：
1 2
z
u w
u
A
w
也称测管水头，是渗流的 总驱动能，渗流总是从水 头高处流向水头低处
hA
zA
A B L
基准面
渗流问题的水头
§3.2 土的渗流性与渗透规律
• A点总水头：h A z A • B点总水头： h B z B
uA
水力坡降线
u

w
A
uB
Δh
uB

w
w
hA zA
A B
ii i h L
i
1 q1x q2x q3x 1 z kx k1 k2 k
3
2
H
H
h x H1 H2 H H3
达西定律: qx=vxH=kx i H Σqix=Σki ii Hi
等效条件:
qx

q ix
2
不透水层
等效渗透系数:
k
x

1 H

k iH
i
层状地基的水平等效渗透系数
max 1 絮状结构 分散结构 Wop 渗透系数 k 含水量 w
• 结构
水的性质
含水量 w
渗透系数的影响因素
§3.2 土的渗流性与渗透规律
土的性质 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 水的动力粘滞系数：
温度，水粘滞性，k
饱和度（含气量）：封闭气 泡对k影响很大，可减少有效

水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性
土体中的渗流
§3.1 概述- 渗流问题
防渗体
坝体 浸润线
渗流问题：
1. 渗流量？
2. 渗透破坏？
透水层
3. 渗透力？
不透水层
工程实例
土石坝坝基坝身渗流
§3.1 概述- 渗流问题
板桩墙 渗流问题：
基坑
透水层 不透水层
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
工程实例
板桩围护下的基坑渗流
§3.1 概述- 渗流问题